Extremstellen bestimmen

Finding extrema

Mathematik Klasse 11 35 Aufgaben
AnalysisExtremaDifferentiation

Ein Extrempunkt braucht eine waagerechte Tangente: f′(x₀) = 0 ist notwendig, die Kandidaten kommen aus f′(x) = 0. Hinreichend ist der Vorzeichenwechsel von f′: von + nach − ein Hochpunkt, von − nach + ein Tiefpunkt; den y-Wert liefert f. Der Abschnitt räumt aus, dass f′(x₀) = 0 schon genügt (Sattelpunkt bei x³), dass man f(x) = 0 löst und dass y-Wert und Steigung dasselbe sind. Er bereitet den f″-Test, die Wendestellen und die vollständige Untersuchung vor.

Notwendig: f′(x₀) = 0

In einem Hoch- oder Tiefpunkt liegt die Tangente waagerecht. Ein Extrempunkt bei x₀ verlangt also ; diese Bedingung ist notwendig. Kandidaten findet man deshalb aus , nicht aus : Für gilt , also x = −1 oder x = 1. Ein Plotter zeigt eine flache Stelle und einen Gipfel ähnlich; erst die Rechnung unterscheidet sie.

Ob dort wirklich ein Extrempunkt liegt, sagt die Bedingung nicht. Bei ist , doch der Graph läuft durch den Ursprung hindurch: ein Sattelpunkt. Notwendig heißt: ohne sie geht es nicht, mit ihr allein noch nicht.

Schiebe a gegen 0. Was wird aus Hoch- und Tiefpunkt, wenn die beiden waagerechten Tangenten zusammenrücken?

Hinreichend: Vorzeichenwechsel

Hinreichend ist ein Vorzeichenwechsel von f′ an einer Stelle x₀ mit . Wechselt f′ von + nach −, steigt der Graph davor und fällt danach: ein Hochpunkt. Von − nach + ist es ein Tiefpunkt. Ohne Wechsel gibt es keinen Extrempunkt. Man prüft das mit zwei Kontrollwerten, je einem links und rechts von x₀, wie bei den Monotonieintervallen.

Drei Fälle bei f′(x₀) = 0 + 0 − f′ bei x₀ Hochpunkt − 0 + f′ bei x₀ Tiefpunkt + 0 + f′ bei x₀ kein Extrempunkt
Bei waagerechter Tangente entscheidet der Vorzeichenwechsel von f′, ob ein Hochpunkt, ein Tiefpunkt oder gar kein Extrempunkt vorliegt.

Bei ist f′ links von −1 positiv, zwischen −1 und 1 negativ und rechts von 1 positiv: Hochpunkt bei −1, Tiefpunkt bei 1. Die y-Werte liefert f, nicht f′: und , also und . Bei bleibt f′ auf beiden Seiten von 0 positiv: kein Wechsel, kein Extrempunkt.

Leicht
Multiple Choice #1 25s ▶ Testen

Für f(x) = x³ − 12x gilt f′(x) = 3x² − 12. Welche Gleichung liefert die Kandidaten für Extremstellen?

  • ● 3x² − 12 = 0
  • ○ x³ − 12x = 0
  • ○ 3x² − 12 > 0
Ein Extrempunkt braucht eine waagerechte Tangente, also f′(x) = 0. Die Gleichung x³ − 12x = 0 liefert die Nullstellen von f (Schnittpunkte mit der x-Achse), die Ungleichung 3x² − 12 > 0 beschreibt, wo f steigt, nicht wo die Tangente waagerecht ist.
Multiple Choice #2 25s ▶ Testen

Abgebildet ist der Graph von f. An welchen Stellen ist f′(x) = 0?

  • ● −2 und 2
  • ○ −3,46 und 3,46
  • ○ 0
Die Tangente ist waagerecht an den Stellen des Hügels und der Mulde: x = −2 und x = 2 (auch rechnerisch: 3x² − 12 = 0). Die Stellen ±3,46 sind die Nullstellen von f (Schnittpunkte mit der x-Achse), x = 0 der Schnittpunkt mit der y-Achse.
Multiple Choice #3 30s ▶ Testen

Alle drei Funktionen haben bei x = 0 die Ableitung 0. Bei welcher liegt dort ein Extrempunkt?

  • ● f(x) = x⁴
  • ○ f(x) = x³
  • ○ f(x) = x⁵
Es gilt f′(0) = 0 für x⁴ (f′ = 4x³), x³ (f′ = 3x²) und x⁵ (f′ = 5x⁴). Nur x⁴ ist überall ≥ 0 = f(0): ein Tiefpunkt. x³ und x⁵ laufen durch den Ursprung hindurch, ein Sattelpunkt.
Wahr / Falsch #4 20s ▶ Testen

Der abgebildete Graph gehört zu f(x) = x³. Er hat bei x = 0 eine waagerechte Tangente, aber keinen Extrempunkt.

✓ Wahr
f′(0) = 0 ist nur notwendig. Der Graph von x³ steigt vor und nach x = 0: Die Tangente ist waagerecht, aber es gibt weder Hoch- noch Tiefpunkt (Sattelpunkt).
Multiple Choice #5 25s ▶ Testen

Abgebildet ist der Graph von f′. Was liegt bei x = 3 vor?

  • ● Hochpunkt
  • ○ Tiefpunkt
  • ○ Sattelpunkt
f′ ist links von 3 positiv (f steigt), bei 3 null und rechts von 3 negativ (f fällt). Der Vorzeichenwechsel von + nach − macht x = 3 zur Hochpunktstelle. Bei − nach + wäre es ein Tiefpunkt, ohne Wechsel ein Sattelpunkt.
Multiple Choice #6 25s ▶ Testen

Abgebildet ist der Graph von f′. Welche Art von Extremstelle hat f bei x = −1?

  • ● Hochpunkt
  • ○ Tiefpunkt
  • ○ keine Extremstelle
Links von −1 liegt f′ oberhalb der x-Achse (f steigt), zwischen −1 und 2 darunter (f fällt): f′ wechselt bei −1 von + nach −, also Hochpunkt. (Bei x = 2 wechselt f′ von − nach +: Tiefpunkt.)
Wahr / Falsch #7 20s ▶ Testen

Abgebildet ist der Graph von f′ mit f′(x) = x(x − 5)². Bei x = 0 hat f einen Extrempunkt.

✓ Wahr
Bei x = 0 wechselt f′ von − nach +: ein Tiefpunkt. (Bei x = 5 berührt f′ die x-Achse nur und bleibt positiv: dort kein Extrempunkt, ein Sattelpunkt.)
Multiple Choice #8 25s ▶ Testen

Die Funktion f(x) = x² − 4x + 1 hat bei x = 2 liegt die einzige Extremstelle. Wie lautet der Extrempunkt?

  • ● (2 | −3)
  • ○ (2 | 0)
  • ○ (−3 | 2)
Die x-Koordinate ist die Extremstelle 2, die y-Koordinate liefert f: f(2) = 4 − 8 + 1 = −3. Der Wert 0 ist f′(2), die Steigung; (−3 | 2) vertauscht die Koordinaten.
Multiple Choice #9 25s ▶ Testen

Abgebildet ist der Graph von f. Welche Koordinaten hat der Hochpunkt?

  • ● (1 | 5)
  • ○ (5 | 1)
  • ○ (1 | 0)
Der Hochpunkt liegt bei x = 1 auf der Höhe f(1) = 5. (5 | 1) vertauscht die Koordinaten, (1 | 0) nimmt die Steigung f′(1) = 0 als y-Wert.
Wahr / Falsch #10 25s ▶ Testen

f(x) = x³. Es gilt f'(0) = 0. Hat f bei x = 0 eine Extremstelle?

✓ Nein
Wahr / Falsch #11 25s ▶ Testen

f(x) = x³ + 1. Es gilt f'(0) = 0. Hat f bei x = 0 eine Extremstelle?

✓ Nein
Wahr / Falsch #12 25s ▶ Testen

f'(x) = 3(x − 1)(x − 3) wechselt bei x = 3 von − nach +. Liegt dort ein Tiefpunkt?

✓ Ja
Wahr / Falsch #13 25s ▶ Testen

f'(x) = 3(x + 2)(x − 2) wechselt bei x = −2 von + nach −. Liegt dort ein Hochpunkt?

✓ Ja
Mittel
Zahleneingabe #1 35s ▶ Testen

Für f(x) = x³ − 3x² ist f′(x) = 3x² − 6x. Löse f′(x) = 0 und gib die größere Lösung an.

✓ Antwort: 2
3x² − 6x = 3x(x − 2) = 0 ⇒ x = 0 oder x = 2. Die größere Lösung ist 2.
Zahleneingabe #2 35s ▶ Testen

Für f(x) = x³ + 3x² + 3x ist f′(x) = 3(x + 1)². An welcher Stelle ist die Tangente waagerecht?

✓ Antwort: -1
3(x + 1)² = 0 gilt für x = −1. Dort wechselt f′ das Vorzeichen nicht (f′ ≥ 0 überall): kein Extrempunkt, sondern ein Sattelpunkt.
Lückentext #3 20s ▶ Testen

Wechselt f′ an der Stelle x₀ von − nach +, so hat f dort einen ___ (Hochpunkt oder Tiefpunkt).

✓ Antwort: Tiefpunkt
Erst fällt f (f′ < 0), dann steigt f (f′ > 0): die Kurve ist an der Stelle x₀ am tiefsten, ein Tiefpunkt.
Zahleneingabe #4 35s ▶ Testen

Die Funktion f(x) = 2x³ − 6x² + 1 hat bei x = 2 einen Tiefpunkt. Berechne seinen y-Wert.

✓ Antwort: -7
Der y-Wert kommt aus f: f(2) = 2 · 8 − 6 · 4 + 1 = 16 − 24 + 1 = −7.
Zahleneingabe #5 25s ▶ Testen

f(x) = x² − 4x. Berechne f'(3).

✓ Antwort: 2
Zahleneingabe #6 60s ▶ Testen

f(x) = x³ − 3x. Löse f'(x) = 0. Trag die positive Lösung ein.

✓ Antwort: 1
Zahleneingabe #7 60s ▶ Testen

f(x) = x³ − 12x. Löse f'(x) = 0. Trag die positive Lösung ein.

✓ Antwort: 2
Zahleneingabe #8 60s ▶ Testen

f(x) = x³ − 6x² + 9x. Löse f'(x) = 0. Trag die größere Lösung ein.

✓ Antwort: 3
Zahleneingabe #9 60s ▶ Testen

f(x) = x³ − 9x² + 24x. Löse f'(x) = 0. Trag die größere Lösung ein.

✓ Antwort: 4
Zahleneingabe #10 45s ▶ Testen

f(x) = x³ − 3x hat bei x = 1 einen Tiefpunkt. Wie groß ist seine y-Koordinate?

✓ Antwort: -2
Zahleneingabe #11 45s ▶ Testen

f(x) = x³ − 27x hat bei x = 3 einen Tiefpunkt. Wie groß ist seine y-Koordinate?

✓ Antwort: -54
Zahleneingabe #12 45s ▶ Testen

f(x) = −x² + 4x + 1 hat bei x = 2 einen Hochpunkt. Wie groß ist seine y-Koordinate?

✓ Antwort: 5
Zahleneingabe #13 45s ▶ Testen

f(x) = −x² + 6x − 2 hat bei x = 3 einen Hochpunkt. Wie groß ist seine y-Koordinate?

✓ Antwort: 7
Zahleneingabe #14 60s ▶ Testen

f(x) = x⁴ − 8x². Löse f'(x) = 0. Trag die positive Lösung ein.

✓ Antwort: 2
Zahleneingabe #15 60s ▶ Testen

f(x) = x⁴ − 18x². Löse f'(x) = 0. Trag die positive Lösung ein.

✓ Antwort: 3
Zahleneingabe #16 90s ▶ Testen

f(x) = x³ − 12x. Bestimme den Tiefpunkt. Trag seine y-Koordinate ein.

✓ Antwort: -16
Zahleneingabe #17 90s ▶ Testen

f(x) = x³ − 3x² − 9x + 1. Bestimme den Tiefpunkt. Trag seine y-Koordinate ein.

✓ Antwort: -26
Schwer
Zahleneingabe #1 45s ▶ Testen

Wie viele Kandidaten für Extremstellen hat f(x) = x³ − 27x? Löse dazu f′(x) = 0.

✓ Antwort: 2
f′(x) = 3x² − 27 = 0 ⇒ x² = 9 ⇒ x = −3 oder x = 3: zwei Kandidaten. (Die Gleichung f(x) = 0 hätte drei Lösungen: 0 und ±√27, aber die sucht man hier nicht.)
Zahleneingabe #2 35s ▶ Testen

Für f(x) = x⁴ − 4x³ gilt f′(x) = 4x²(x − 3). An wie vielen der Stellen mit waagerechter Tangente liegt kein Extrempunkt?

✓ Antwort: 1
Waagerechte Tangenten gibt es bei x = 0 und x = 3. Bei x = 3 wechselt f′ von − nach + (Tiefpunkt). Bei x = 0 ist der Faktor x² doppelt, f′ bleibt links und rechts negativ: kein Extrempunkt, ein Sattelpunkt. Also eine Stelle.
Zahleneingabe #3 45s ▶ Testen

Für f(x) = x⁴ − 8x² gilt f′(x) = 4x(x − 2)(x + 2). An wie vielen Stellen hat f einen Extrempunkt?

✓ Antwort: 3
f′ hat drei einfache Nullstellen −2, 0, 2. An jeder einfachen Nullstelle wechselt das Vorzeichen: Tiefpunkt bei −2, Hochpunkt bei 0, Tiefpunkt bei 2. Also drei Extrempunkte.
Zahleneingabe #4 45s ▶ Testen

Bestimme den Tiefpunkt von f(x) = x² − 6x + 5 und gib seine y-Koordinate an.

✓ Antwort: -4
f′(x) = 2x − 6 = 0 ⇒ x = 3 (f′ wechselt von − nach +: Tiefpunkt). Der y-Wert kommt aus f: f(3) = 9 − 18 + 5 = −4. Der Tiefpunkt ist (3 | −4).
KI-bewertete Rechnung #5 240s ▶ Testen

Bestimme alle Extrempunkte von f(x) = x³ − 12x. Bilde f′, löse f′(x) = 0, prüfe das Vorzeichen von f′ links und rechts jeder Kandidatenstelle und berechne die y-Werte. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: f′(x) = 3x² − 12 = 3(x − 2)(x + 2) = 0 ⇒ x = −2 oder x = 2. Vorzeichen: f′(−3) = 15 > 0, f′(0) = −12 < 0, f′(3) = 15 > 0. Bei −2 wechselt f′ von + nach −: Hochpunkt, bei 2 von − nach +: Tiefpunkt. y-Werte aus f: f(−2) = −8 + 24 = 16, f(2) = 8 − 24 = −16. Hochpunkt H(−2 | 16), Tiefpunkt T(2 | −16).
Kandidaten ±2 aus f′ = 0, Vorzeichenwechsel + → − bei −2 (Hochpunkt) und − → + bei 2 (Tiefpunkt), y-Werte aus f: H(−2 | 16), T(2 | −16).